【摘要】阐述了混凝土抗渗性能的重要性, 分析了影响混凝土抗渗性能的各个方面和主要因素, 并且针对这些影响因素, 介绍了国内外研究现状及目前获得的一些重要结论, 对今后混凝土抗渗性能研究的发展方向也进行了探讨。
【关键词】混凝土抗渗性能; 耐久性; 微裂纹
1.前言
近年来混凝土的耐久性问题日益为人们所关注。混凝土的耐久性, 与水和其它有害液体、气体向其内部流动的数量、范围等有关, 因此抗渗性能高的混凝土, 其耐久性就好。近年来, 高性能混凝土的概念大有取代高强混凝土概念的趋势[1], 因为人们认识到强度这一单一的指标并不足以揭示结构材料的工作状态。高性能混凝土首先要求是耐久性有保证的混凝土。因此, 要研究高性能混凝土, 就不能不关注混凝土的抗渗性能。然而, 服役期间的混凝土, 其抗渗性能并非是一个常数, 其与龄期、浆体水化程度等因素丝丝相扣, 与微裂纹的延伸扩展更是密切相关。正是因为涉及的影响因素太多, 试验耗功耗时, 因此, 目前人们在这方面获得的研究成果还远远不能令人满意, 有必要在这方面进一步深入进行研究。本文正是针对上述问题, 分析了混凝土的抗渗性能的主要影响因素, 并且介绍了研究现状。
2.试验方法的研究
研究混凝土抗渗性能有多种试验方法, 有水压力试验法、抗氯化物渗透试验法, 以及气体渗透性试验法等。气体渗透法比较适合在现场测试, 在我国应用相对较少, 试验室测试以前两种为主。
在我国, 混凝土的渗透性试验方法采用水压力试验法[2], 包括三种形式: 稳定流动法、渗透深度法和抗渗标号法。稳定流动法测量压力液体流过混凝土的流量、流速, 适用于研究具有较高渗透性, 例如强度不高、龄期不长的混凝土。渗透深度法测量压力液体穿透混凝土的深度,适用于研究具有低渗透性的混凝土。
现在科学研究结果已经表明, 影响混凝土耐久性的各种作用、各种作用危害的机理、影响因素和预防措施等, 无一不与混凝土本身的渗透性有关。不管哪种因素导致混凝土劣化, 其共同的特点是混凝土中需要充足的水分和其他有害物质的侵入, 所以说混凝土的抗渗性是耐久性的第一道防线。
渗水的原因, 是由于其内部的孔隙形成连通的渗水通道, 这些通道除产生施工振捣不密实或裂缝外, 主 要来源于水泥浆中多余水分蒸发后留下的毛细孔、水泥浆泌水所形成的通道及骨料下部界面聚集的水隙。混凝土的渗透性与水胶比、水泥的水化程度、粗骨料的最大尺寸、骨料的级配、矿物掺合料、骨料与水泥浆界面的裂缝和骨料的渗透性等因素有关, 因为这些因素决定了混凝土的结构、孔隙等。
本次研究中试件为φ175×φ185×150 圆台, 共6 块。标准准下养护28d 后按照GBJ85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行抗渗性能试验, 试验水压从0.1MPa 开始, 每隔8h 增加水压0.1MPa, 逐级加压至有3 个试件端面有渗水现象时, 停止试验, 并计算其抗渗等级。C80 试件加压至3.8MPa, 6 个试件全无渗水现象( 因设备条件限制, 无法再增加荷载) , 说明C80 级高性能混凝土抗渗性能很好, 抗渗等级大于P38。而C40 混凝土加压至0.8MPa 时, 有三个试件端面出现渗水现象而停止试验, 抗渗等级为P7。C80 的渗水高度见下表和下图
由上表可知C80 高性能混凝土的抗渗性能与C40 普通混凝土相比大大提高, 这是由于在标准养护环境中矿渣、硅粉的活性激发, 水化反应充分, 产物中凝胶体增多, 混凝土结构致密, 孔结构改善, 抗渗性提高, 改善了混凝土的耐久性能。
C40 混凝土抗渗性能较小, 是由于水胶比大而导致最初的孔隙率较大, 同时水化反应不充分, 使得原始孔隙被新生成的固体产物填充程度不高。
C80 高强高性能混凝土的密实度高, 抗渗性能远远超出C40 普通混凝土, 国外Aolsiefer 所用的试验也指出, 掺有硅粉的高强高性能混凝土在4MPa 的水压下是不透水的[3]。另外矿渣对混凝土的孔径分布、孔的几何形状的改善有好的作用, 因而能够提高混凝土的抗渗性能,从而提高混凝土的耐久性[4]。
水胶比对混凝土的抗渗性有很大影响, 这种趋势与本次抗渗性能试验结果一致, C80 混凝土的水胶比为0.25, 而C40 混凝土的水胶比为0.46, 所以C40 抗渗性很小。矿物掺和料和减水剂的加入也提高了混凝土的抗渗性, 这是因为它们可以降低混凝土的单位用水量, 提高混凝土拌合物的和易性, 细化混凝土的空隙结构, 提高混凝土的密实性。本次试验表明,C80 高性能混凝土具有良好的密实性,抗渗等级达到P38 仍未出现渗水现象, 适合于地下工程结构和防水结构混凝土。
一般情况下认为, 材料的组分与配合比中对混凝土抗掺性最具影响力的因素是水灰(胶)比; 事实上, 在水灰比小于0.13, 特别是掺有硅灰的情况下, 混凝土对于水与氯化物来说都可认为是不可渗透的, 这样的混凝土可以在下面的暴露条件下工作: (1)高水头压力; (2)需要防止氯化物侵蚀; (3)恶劣的冻融条件存在; (4)需抵抗有害化学品侵蚀。只要将水灰比限制在不超过0.14, 就能够获得渗透性足够低的混凝土, 能够抵抗很高的水压力。如果不考虑时间这个因素, 上述结论无疑是正确的, 但从前面提到的近年来高强与高性能混凝土遭遇到的一些耐久性病害来看, 则上述结论难免有偏颇之嫌。配合比设计不仅要考虑新浇筑混凝土的抗渗性能, 也要考虑服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化的问题; 当然这是一个非常复杂的问题。
3.服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化
对于混凝土结构而言, 并非是仅仅满足了一些外加剂、掺合料及水灰比方面的要求, 就能够保证耐久性能。这是因为混凝土在工作中要承受各种荷载和变形; 混凝土在荷载、变形和气候作用下, 微结构性能会逐步劣化, 表面及内部产生微裂纹; 而混凝土的开裂通常导致渗流通道相互连接并且增加混凝土的渗透性, 这种由于裂纹扩张导致的渗透性的增加使得更多的水和有害化学成分渗入混凝土中, 引起混凝土性能的进一步劣化、开裂。这样一个链式反应:劣化—开裂—可渗性增加—进一步劣化, 终将导致混凝土结构的毁灭性破坏。Shah and Wang 根据一个目前仍在进行的广泛研究的初步结果, 给出了混凝土微结构、渗透性能、开裂和耐久性之间的关系。指出在耐久混凝土配合比设计中要考虑三个标准: 强度、渗透性和抗裂能力。
4.结语
本文回顾了混凝土抗渗性能研究的研究历程, 对研究现状进行了阐述, 并对研究中出现的某些问题的产生原因进行了分析, 此外, 对某些可能取得突破的发展方向进行了展望, 主要结论如下:
( 1) 近年来, 国外在一项研究中同时进行水渗透性、氯化物渗透性、空气渗透性测试、然后分别讨论试验结果的情况增多, 可以认为这是一种趋势;
( 2) 考虑混凝土在服役环境中抗渗性能的劣化, 是混凝土抗渗性能研究的一个发展方向。对于混凝土孔结构对抗渗性能的影响问题,如果与适合于描述杂乱无章事物的分形几何理论进行结合, 可能获得进展;
( 3) 应该建立抗渗性能指标与耐久性指标之间的联系, 为用抗渗实验结果科学评价混凝土耐久性提供依据。
[ 1] 冯乃谦,丁建彤等译.高性能混凝土的耐久性[M].(H.索默编).科学出版社,1998.
[ 2] 赵铁军,高性能混凝土的渗透性研究[D].(申请清华大学工业学博士学位论文,1997.4.
[ 3] P.Kumar Metha,Concrete Structure,Properies,and Materials [M],Prentice - Hallinc.,1986.
[ 4] 冷发光,冯乃谦.矿渣掺量对高强高性能混凝土强度和耐久性影响的试验研究[J].中国建材科技.2000.1:14- 17.
